바닥 상태와 들뜬 상태의 전자 배치

핵심 정리

원자의 전자 배치를 판단할 때는 전자의 총수만 보지 않고, 각 전자가 어느 오비탈에 어떻게 들어 있는지 함께 살핀다. 같은 전자 수를 가진 배치라도 오비탈에 놓인 방식에 따라 바닥 상태일 수도 있고 들뜬 상태일 수도 있다. 바닥 상태는 원자의 전자 배치가 가질 수 있는 에너지가 가장 낮은 상태다. 바닥 상태의 전자 배치는 쌓음 원리와 훈트 규칙을 만족하는 하나의 배치로 정해진다.

쌓음 원리는 전자가 에너지가 낮은 오비탈부터 채워진다는 원리다. 훈트 규칙은 에너지가 같은 오비탈들이 있을 때 전자들이 가능한 한 서로 다른 오비탈에 하나씩 먼저 들어간다는 규칙이다. 따라서 배치의 바닥 상태 여부를 볼 때에는 낮은 오비탈부터 채웠는지, 같은 에너지 오비탈에 전자를 배치한 방식이 훈트 규칙에 맞는지 차례로 확인한다. 들뜬 상태에서는 전자가 바닥 상태보다 높은 에너지 오비탈에 있다.

오비탈 수와 전자 수는 서로 다른 양이다. 전자가 들어 있는 오비탈 수는 전자쌍이 들어 있는 오비탈 수와 홀전자가 들어 있는 오비탈 수를 합해 센다. 홀전자는 같은 오비탈에 짝을 이루지 않고 하나씩 들어 있는 전자다. 전자 배치를 읽을 때에는 오비탈을 세는지, 그 안의 전자를 세는지 먼저 구분해야 한다.

자세히

원자에 속한 전자는 여러 오비탈에 배치된다. 전자 배치를 판정하는 첫 단계는 원자에 들어 있는 전자 수와 각 오비탈에 표시된 전자 수를 확인하는 것이다. 그다음 각 전자가 어느 오비탈에 있는지 확인한다. 전자 수가 맞더라도 전자가 놓인 오비탈이 바닥 상태의 규칙과 맞지 않을 수 있으므로, 전자 수만으로 바닥 상태라고 판단하지 않는다. 전자 배치는 오비탈을 나타내는 기호와 그 오비탈에 들어 있는 전자 수로 쓰거나, 상자와 화살표로 표시한다. 상자 하나는 오비탈 하나를 나타내고 화살표 하나는 전자 하나를 나타낸다. 같은 오비탈에 전자가 두 개 있으면 화살표를 한 쌍으로 그린다. 표시가 주어지면 화살표의 위치와 짝을 함께 확인해야 한다.

바닥 상태를 찾는 데에는 두 규칙이 핵심이다. 먼저 쌓음 원리에 따라 에너지가 낮은 오비탈부터 전자를 채운다. 원자의 전자를 배치할 때는 낮은 에너지 자리를 비워 둔 채 높은 에너지 자리에 전자가 먼저 들어간 형태인지 살펴본다. 그런 배치는 전자 수가 맞더라도 바닥 상태가 아닐 수 있다. 바닥 상태는 가능한 배치 가운데 에너지가 가장 낮은 배치이므로, 전자가 더 낮은 에너지 오비탈로 내려갈 수 있는 배치는 바닥 상태로 보지 않는다. 바닥 상태 전자 배치에서는 전자가 가능한 한 낮은 에너지 오비탈부터 채워진다. 따라서 들뜬 상태를 가려낼 때에는 높은 오비탈에 전자가 있다는 사실과 낮은 오비탈에 자리가 남았는지를 함께 본다. 높은 오비탈에 전자가 있다는 사실만 따로 떼어 놓기보다, 주어진 전자 배치가 낮은 오비탈부터 채우는 원칙에 맞는지 비교하는 것이 안전하다.

다음으로 같은 에너지의 오비탈이 여러 개 있는 경우에는 훈트 규칙을 적용한다. 예를 들어 2p처럼 같은 에너지인 오비탈들이 있는 부분에서 전자가 하나씩 들어갈 수 있다면, 먼저 서로 다른 오비탈에 하나씩 배치한다. 그 뒤에야 이미 전자가 들어 있는 오비탈에 짝을 이루는 전자가 들어간다. 그러므로 한 오비탈에 먼저 전자쌍을 만들고 다른 같은 에너지 오비탈을 비워 둔 배치는 훈트 규칙에 맞지 않을 수 있다. 전자 수가 같다는 이유만으로 두 배치가 모두 바닥 상태라고 볼 수 없는 까닭이다. 빈 오비탈의 수와 전자쌍의 위치를 함께 확인하면 이 차이를 구분하기 쉽다. 탄소의 바닥 상태 전자 배치도 쌓음 원리와 훈트 규칙에 맞아야 한다.

이 표의 기준은 서로 대체할 수 없다. 전자 수를 맞추는 일은 주어진 원자에 맞는 전자를 빠짐없이 세는 단계이고, 쌓음 원리와 훈트 규칙을 확인하는 일은 그 전자들이 바닥 상태에 맞게 배치되었는지 판단하는 단계다. 먼저 전자 수를 세고, 다음으로 오비탈의 종류와 에너지 순서를 확인하고, 마지막으로 같은 에너지 오비탈의 점유 형태를 살피면 판단 순서가 분명해진다. 바닥 상태의 전자 배치는 에너지가 가장 낮은 하나의 배치다. 그리고 바닥 상태 원자의 전자 배치는 쌓음 원리와 훈트 규칙에 따라 하나로 정해진다.

들뜬 상태는 전자 배치의 전자 수가 달라진 상태를 뜻하지 않는다. 원자에 속한 전자가 에너지를 받아 바닥 상태보다 높은 에너지 오비탈에 놓이면 들뜬 상태가 된다. 즉, 전자가 원자에서 빠져나가거나 새로 들어온 상황과, 원자 안에서 전자가 더 높은 오비탈로 옮겨 간 상황은 구분해야 한다. 들뜬 상태의 원자에서는 전자가 바닥 상태보다 높은 에너지 오비탈에 있다. 바닥 상태에서 높은 오비탈로 전자가 옮겨 간 배치는 쌓음 원리에 따른 최저 에너지 배치와 다르므로 들뜬 상태로 판정한다. 문제에 ‘바닥 상태’라고 명시되어 있으면 규칙에 맞는 배치를 골라야 하며, 단지 그럴듯한 전자 수를 가진 배치를 고르는 것은 부족하다.

주기 정보도 배치 판정과 연결된다. 같은 주기 원소는 바닥 상태에서 전자가 채워지는 주 양자수가 같다. 다만 자료에 제시된 배치가 들뜬 상태일 수 있으므로, 오비탈에 전자가 있다는 이유만으로 그 배치를 바닥 상태로 간주해서는 안 된다. 원소의 주기나 전자 수를 추론할 때는 주어진 전자 배치가 바닥 상태라는 조건을 먼저 확인한다. 들뜬 상태 배치를 바닥 상태의 규칙으로 해석하면 원소의 주기나 오비탈 점유를 잘못 판단할 수 있다. 같은 주기라는 조건은 채워지는 주 양자수를 알려 주는 단서지만, 서로 다른 원소의 전자 수나 전자가 들어 있는 오비탈 수가 같다는 뜻은 아니다.